1. ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЯ 1.1 Определение полной массы автомобиля Полная масса автомобиля определяется по формуле: , кг где (1) - собственный вес снаряженного автомобиля без груза, который принимается в соответствии с аналогом, кг; - максимальный вес перевозимого груза, принимается по заданию, кг; - масса водителя и пассажиров в кабине, которая определяется: , кг (2) где: 75 – средняя масса человека (кг), n – число мест в кабине, принимается в соответствии с аналогом. Тогда с учетом средней массы пассажиров (формула 2) полная масса автомобиля определяется: , кг (3) 1.2 Выбор шин Для выбора шин необходимо определить нагрузку, приходящуюся на одно колесо автомобиля. На задней оси грузовых автомобилей обычно монтируются четыре шины, каждая из которых испытывает большую весовую нагрузку, чем шина переднего колеса, поэтому выбор производится по весовой нагрузке, приходящейся на одно заднее колесо. Нагрузка на одно колесо для всех автомобилей кроме седельных тягачей определяется по формуле: , кг (4) где nk - число колес на задних осях, принимается в соответствии с аналогом; ma - полная масса автомобиля, определенная в п.2.1 Для седельных тягачей нагрузка на одно колесо определяется: ,кг (5) - максимальный вес перевозимого груза, принимается по заданию, кг; При выборе шин в справочниках величина средней нагрузки может быть приведена в Н, в связи с этим необходимо воспользоваться формулой перевода: ,Н где (6) – нагрузка на колесо, кг; g - ускорение свободного падения , g=9,81 м/с2. По справочнику подбирают тип и размеры автомобильных шин, удовлетворяющих нагрузке, приходящейся на колесо. Для дальнейших расчетов необходимо указать статический радиус колеса rст , диаметр посадочного обода d 0 ,высоту Н и ширину В профиля колеса, давление в шинах р уд . Для дальнейших расчетов необходимо знать величину расчетного радиуса колеса rc . Расчетный радиус колеса определяется по следующей формуле: , мм где – посадочный диаметр обода, мм; Δ= Н / В – коэффициент отношения высоты и ширины профиля (7) ( Н и В – высота и ширина профиля шины, мм); λcм – коэффициент, учитывающий смятие шины под нагрузкой. При нагрузке и внутреннем давлении воздуха, указанных в стандартах для шин грузовых автомобилей и автобусов и шин с регулируемым давлением Н/В 1. Для шин грузовых автомобилей, автобусов, шин с регулируемым давлением (кроме широкопрофильных), диагональных шин легковых автомобилей λcм=0,85......0,9, для радиальных шин автомобилей повышенной проходимости λ cм = 0,8....0,85. В некоторых справочниках указываются значения статического радиуса колеса и свободного радиуса колеса, поэтому формула для расчета принимает несколько иной вид: rk= , мм (8) где rст – статический радиус колеса, мм, принимается из справочника в соответствии с нагрузкой на колесо; rс – свободный радиус колеса, мм, принимается из справочника в соответствии с нагрузкой на колесо. 1.3 Подбор внешней характеристики двигателя Для подбора внешней характеристики двигателя вначале определяется мощность N ev, л.с., необходимая для обеспечения заданной максимальной скорости V макс в км/ч (по заданию), по дороге с заданным коэффициентом дорожного сопротивления при установившемся режиме движения. 2 k F Vмакс V NeV ma f (cos sin ) макс , л.с. 12,96 270 тр (9) где k в - коэффициент обтекаемости автомобиля, определяется по таблице 2; Fв - лобовая площадь автомобиля, определяется: м2, где h – габаритная высота автомобиля, b- ширина колеи передних колес, принимаются в соответствии с аналогом; Vмакс - максимальная скорость движения автомобиля по заданию, км/ч; Ga - полный вес автомобиля, который определяется: , g - ускорение свободного падения , g=9,81 м/с2 - полная масса автомобиля, кг, принимается из расчетов п.2.1; - продольный угол наклона дороги, принимается в соответствии с заданием,º; f0 - коэффициент сопротивления качению автомобиля при остановившейся скорости, принимается в соответствии с заданием; тр - КПД трансмиссии автомобиля, для режима максимальной скорости принимается тр = 0,85-0,9; Проверить величину максимального угла подъёма в соответствии с дорожными условиями можно по следующей формуле: (10) где f – коэффициент сопротивления качению, принимается в соответствии с заданием; – максимальный коэффициент сцепления определяется в соответствии с дорожными условиями. с дорогой, Таблица №1 Показатели коэффициента обтекаемости для грузовых автомобилей Автомобиль Коэффициент обтекаемости k в Автомобиль с колесной формулой 4х2 - с открытой бортовой платформой 0.0619 - с бортовой платформой и двухосным бортовым 0,0793 прицепом Автомобиль с колесной формулой 4х4 - с открытой бортовой платформой 0,0674 Седельный тягач с двухосным полуприцепом-фургоном с колесной формулой: 4х2 0,0412 6х4 0,051 После определения мощности двигателя, необходимой для движения автомобиля в заданных условиях с максимальной скоростью рекомендуется сопоставить ее величину с мощностью двигателя автомобиля-аналога. Если эти величины имеют существенное различие, то необходимо проверить правильность расчетов или пересмотреть максимальную скорость автомобиля в соответствующих дорожных условиях. Максимальная мощность двигателя по условию обеспечения максимальной скорости автомобиля Nmax в случае бензинового двигателя определяется по формуле Лейдермана, связывающей мощность в произвольной точке внешней скоростной характеристики с максимальной мощностью: N макс N eV 2 n n n a макс b макс c макс nN nN nN 3 , (11) где N eV - мощность двигателя, определенная по формуле (9), л.с.; a, b, c - эмпирические коэффициенты, для бензиновых двигателей a 1; b 1; c 1 ; для четырехтактных дизелей а=0,53; b=1,56; с = 1,09; nмакс - максимальная частота вращения двигателя, об/мин (по заданию); n N -частота вращения двигателя соответствующая максимальной мощности двигателя, об/мин, принимается из аналога либо из соотношения n v / nN Частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной мощности определяется коэффициентом оборотности двигателя ηп, равным отношению частоты вращения коленчатого вала двигателя к соответствующей скорости автомобиля: → Для грузовых автомобилей (12) коэффициент оборотности ηп принимают равным 30 … 40 в соответствии с прототипом автомобиля и расчётной максимальной мощностью двигателя; для легковых – 30 … 48. Зависимость скорости автомобиля от частоты вращения вала двигателя устанавливают следующим образом: а) по прототипу с учётом тенденции развития двигателей задают значение частоты вращения вала двигателя при максимальной мощности nN; б) при отсутствии значений nv или nN можно пользоваться их соотношением. Используют известные соотношения между частотой вращения вала двигателя при максимальной скорости автомобиля nv и частотой вращения при максимальной мощности двигателя nN: nv / nN = 1,1 … 1,15 – для карбюраторных двигателей без ограничения частоты вращения вала двигателя (легковые и грузовые автомобили грузоподъёмностью выше 1500 кг); nv / nN = 1,0 – для дизелей и карбюраторных двигателей с ограничением частоты вращения вала двигателя (грузовые автомобили грузоподъёмностью выше 1500 кг) и определяют частоту вращения вала двигателя при максимальной скорости автомобиля на прямой передаче nv; в) подсчитывают значение коэффициента оборотности по формуле г) пользуясь соотношением n = ηп v, определяют частоты вращения вала двигателя, соответствующие принятым скоростям, наносят на оси абсцисс шкалу частот вращения коленчатого вала двигателя. При создании современных двигателей стремятся, чтобы соотношение n макс nN стремилось к единице, однако в реальных условиях эксплуатации значение n макс находиться в диапазоне 1,05….1,2.и Большее nN значение относится к менее мощным автомобилям, выбранное значение должно обеспечивать выполнения условия N m ax N eV . Следовательно, скорость, соответствующая максимальной мощности, будет равна: VN Vмакс nN , км/ч nмакс (13) Внешняя характеристика двигателя представляет собой зависимость эффективной мощности Nе, крутящего момента Mк и других показателей работы двигателя от частоты вращения коленчатого вала при полностью открытой дроссельной максимальной заслонке у бензинового двигателя или при (установленной заводом-изготовителем) цикловой подаче топлива у дизеля. Для построения внешней характеристики двигателя может быть использовано какое-либо из например, формула Лейдермана: известных эмпирических выражений, n n 2 n 3 N e N max a e b e c e , n N n N n N (14) где N e - текущие значения мощности двигателя; ne - текущие значения частоты вращения коленчатого вала; ne nN - отношение текущего значения частоты вращения к номинальной частоте вращения. Текущие значения частоты вращения коленчатого вала ne задаются от n мин соответствующего частоте вращения двигателя на холостом ходу 800 об/мин до nмакс через равные интервалы n , об/мин. Рассчитывают соответствующие значения мощности N ei . Затем определяем текущие значения крутящих моментов по формуле: M ei 716, 2 N ei , кгс м nei (15) где N e - текущие значения мощности двигателя, л.с.; ne - текущие значения частоты вращения коленчатого вала, об/мин. По полученным значениям составляют таблицу 3. Таблица №2 Данные для построения внешней скоростной характеристики двигателя n мин n1 n2 nN nмакс N мин N1 N2 N макс N eV М мин М1 М2 M ei Me По полученным данным производится построение графиков зависимости мощности и крутящего момента двигателя от частоты вращения коленчатого вала – N=f(n), M=f(n). 1.4 Определение рабочего объема двигателя Рабочий объем двигателя определяется: Vh 225 z N макс , л pe n N (16) где z – число тактов двигателя, принимается в соответствии с аналогом; p e - среднее эффективное давление, принимается по двигателю, установленному на аналоге кгс / см 2 ; N макс - максимальная мощность автомобиля, определенная в пункте 2; nN - номинальная частота вращения двигателя автомобиля, выбирается в соответствии с аналогом. 1.5 Определение передаточного числа главной передачи Передаточное число главной передачи u гл определяется из условия обеспечения максимальной скорости движения на прямой передаче в коробке передач. Выражение для расчета передаточного числа главной передачи имеет вид: uгл 0,377 nмакс rk Vмакс uкв u Д (17) где nмах – максимальная частота вращения коленчатого вала двигателя; rк – расчётный радиус ведущих колёс автомобиля, м; принимается из п.2.2; Vмакс - максимальная скорость автомобиля; принимается по заданию; uкв - передаточное число высшей передачи, в расчетах принимается uкв 1 . Предварительно выбирают передаточное число коробки передач на высшей передаче u кв . В большинстве случаев высшей передачей является прямая передача u кв =1. у некоторых автомобилей передаточное число меньше единицы (0,7 – 0,5 - ускоряющая передача). Особенно часто ускоряющая передача применяется в дизельных автомобилях. В автомобилях с одной ведущей осью дополнительная коробка передач не ставится, тогда u кв =1. Получено значение передаточного числа необходимо сопоставить с передаточным числом главной передачи выбранного прототипа. Для обеспечения необходимых конструктивных параметров передаточное число главное передачи рекомендуется брать менее 7 у грузовых автомобилей грузоподъемностью до 4-5 тонн и не более 10 у тяжелых грузовиков. 1.6 Определение передаточных чисел коробки передач и дополнительной коробки Количество передач и их передаточные числа определяют способность автомобиля к преодолению подъемов, быстрому разгону и движению с высокой скоростью в заданных дорожных условиях. Определение передаточных чисел коробки передач начинается с расчета передаточного числа u k1 первой передачи. Для этого используется уравнение силового баланса установившегося движения автомобиля : PT PД PВ ,Н (18) где PД -сила сопротивления дороги, Н; PВ - сила сопротивления воздуха, Н. Поскольку на первой передаче скорость движения автомобиля невелика, силой сопротивления воздуха можно пренебречь. Тогда уравнение (18) принимает вид: PТ Ga , Н (19) Суммарное сопротивление дороги, оцениваемое коэффициентом , может быть преодолено, если отношение максимальной тяговой силы к весу автомобиля будет равно или больше этого коэффициента: PTммак Ga (20) Суммарное сопротивление дороги определяется по формуле: f 0 sin (21) При совместном решении уравнений 20 и 21 получается: M макс u гл u k1 тр rk Ga (22) При выражении передаточного числа первой передачи получается: uk 1 макс rk Ga M макс uгл тр (23) Увеличение передаточного числа первой передачи допустимо только до величины, при которой развиваемая тяговая сила еще не достигнет силы сцепления колес с дорогой: PTммак Gсц , Н (24) где Gсц - сцепной вес автомобиля, кг, принимается равным: для полноприводного автомобиля его полному весу; для двухосного автомобиля сцепной вес определяется из выражения Gсц G2 , где G 2 вес автомобиля, приходящийся на заднюю ось, - коэффициент перераспределения нагрузки при разгоне 1,2 – 1,35. - коэффициент сцепления колес с дорогой зависит от качества дорожного покрытия, принимается в соответствии с таблицей 3. Таблица №3 Коэффициенты сцепления колес с дорогой Вид дороги φN при состоянии дороги ƒ сухое мокрое φN φN Асфальтированное покрытие 0,015 … 0,018 0,7 … 0,8 0,35 … 0,45 Гравийно-щебёночная 0,020 … 0,030 0,6 … 0,7 0,3 … 0,4 Булыжная мостовая 0,025 … 0,035 0,4 … 0,5 - Сухая грунтовая дорога 0,03 … 0,05 0,5 … 0,6 0,2 … 0,4 0,05 … 0,15 - 0,3 … 0,4 Песчаная 0,17 … 0,30 0,5 … 0,6 0,4 … 0,5 Снежная укатанная дорога 0,03 … 0, 04 0,2 0,3 Лёд 0,02 … 0,03 0,1 0,2 дорога Грунтовая дорога после дождя При возрастании скорости выше 50 км/ч коэффициент сопротивления качению можно подсчитать по формуле: ƒ = (115 + v) / 10 000, (25) где v – скорость автомобиля по заданию, км/ч. Из равенства (19) получается: u к1 rk Gсц M макс u гл тр (26) Если передаточное число полученное по формуле (26) меньше чем определенное по формуле (23), то следует проверить возможность увеличения веса, приходящегося на ведущие колеса, что может потребовать изменения радиуса шин. В этом случае тяговый расчет необходимо выполнить заново. Если увеличить вес приходящийся на задние колеса, в пределах, обеспечивающих равенство передаточных чисел, определенных по формулам (23) и (26), невозможно, то принимаем значение передаточного числа первой передачи, полученное по формуле (26). От выбора промежуточных передаточных чисел коробки передач зависят как тяговые, так и экономические свойства автомобиля. Одним из простейших методов выбора передаточных чисел промежуточных передач является метод, в основу которого положено наиболее полное использование мощности двигателя при разгоне автомобиля, начиная с первой и кончая высшей передачей. При наличии бесступенчатой коробки передач разгон можно производить не меняя частоты вращения коленчатого вала двигателя. В этом случае можно работать на частоте вращения N , используя в процессе разгона максимальную мощность двигателя и получая в результате этого максимально возможные для данного автомобиля ускорения. При ступенчатой коробке передач для наилучшего использования мощности, двигатель на всех передачах, должен работать в некотором диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Если пренебречь падением скорости в процессе переключения передач, то каждый раз при переключении передач скорость движения автомобиля, достигнутая перед моментом переключения, например в конце разгона на первой передаче V1 , равна скорости, с которой начинается разгон на второй передаче т.е.: V1 макс V 11 0,377 Следовательно: rk n2 r n 0,377 n 1 uгл uk1 uгл uk 2 (27) n 2 uk1 n1 u k 2 или uk1 uk uk 3 u k q const uk uk 3 uk 4 u k 1 (28) Из равенства (27) следует, что для наилучшего использования мощности двигателя передаточные числа должны подчиняться закону геометрической прогрессии со знаменателем q. Для коробки передач с n ступенями передач передаточное число любой передачи можно определить по формуле: u k n1 u kn1k , (29) где k - номер передачи; n- число ступеней, исключая заднюю и ускоряющую передачи, принимается в соответствии с аналогом. Таблица №4 Формулы определения передаточных чисел КПП для каждой передачи в соответствии с количеством ступеней Коробка передач Передача Первая трёхступенчатая четырёхступенчатая пятиступенчатая i1 i1 i1 Вторая i1 3 i12 Третья 1 3 i12 4 4 i12 i12 Продолжение таблицы № 4 Четвёртая - Пятая 1 - 4 - i12 1 Диапазон передаточных чисел трёхступенчатых коробок передач составляет обычно 2,3 … 2,6; четырёхступенчатых – 3,4 … 4,0. Диапазон передаточных чисел при числе ступеней 5; 6; 8; 10; 16; 20 составляет 5,7 … 8,5; 7,9 … 9,35; 8 … 10; 9,2 … 18,5; 13 … 19,4; 17 … 24,7 соответственно. Обычно передаточное число заднего хода принимается равным: u хз (1,21,3)uk1 (30) Передаточное число ускоряющей передачи выбирается из условий обеспечения топливной экономичности, нагруженного автомобиля при движении по хорошим дорогам с малыми подъемами в пределах 0,7 0,85 . После определения передаточных чисел коробки передач проверяют u1 на условие движения автомобиля по заданной дороге без буксования. Должно быть соблюдено условие u1 ≤ ( λк* G*φ* rк ) / (Mmax *I0*ηм), (31) где φ – коэффициент сцепления шин с дорогой, определяется в п.2; λк – коэффициент нагрузки на ведущие колёса; λк = 1 – для машин повышенной и высокой проходимости 4х4, 6х6; λк = 0,5 … 0,55 – для легковых автомобилей; λк = 0,6 … 0,75 – для грузовых автомобилей 4х2; G – полный вес автомобиля, определяется в п.2.1; Rк – расчетный радиус колеса, м, определенный в п.2.2. 1.7 Построение топливно-экономической характеристики двигателя Топливо является важнейшим эксплуатационным материалом, который потребляется автомобильным транспортом в большом количестве. Стоимость топлива составляет 10-15% всех затрат на перевозки. Поэтому необходимо использовать топливо с максимальной эффективностью, не допуская его неоправданных затрат и потерь. Совершенство конструкции автомобиля с точки зрения топливной экономичности оценивают по общему расходу топлива, отнесенного к длине пройденного пути или к объему транспортной работы. Удельный расход топлива в кг на 100 км пути определяется: Qп ge ( PД PB ), 2700 тр (32) где g e - удельный эффективный расход топлива на данном режиме, г/э. л.с.-ч. PД - Сила сопротивления дороги, принимается PД Ga ; PB - Сила сопротивления воздуха, принимается PB k F V . 2 Здесь Ga - вес автомобиля, определенный в пункте 2.1; - коэффициент сцепления с дорогой, определенный в пункте 2.6.; k - коэффициент обтекаемости автомобиля, определяется по таблице 2; F - лобовая площадь автомобиля, которая определяется в п.2.3; V - скорость автомобиля в соответствии с заданием. Удельный эффективный расход топлива определяется: g e g eN k ск k И , где g eN - удельный эффективный (33) расход топлива при N макс , принимается 200 г/э.л.с.-ч., т.к. двигатель дизельный; k ск -коэффициент, учитывающий изменение qe в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, определяется по таблице 6; k И -коэффициент, учитывающий изменение ge в зависимости от степени использования мощности, определяется по таблице 6. Для определения коэффициента k И необходимо определить показатель И – коэффициент использования двигателя по мощности. Величина И находится по формуле: И NД N B Ne тр , (34) где N Д - мощность, необходимая для преодоления сопротивления дороги; N B - мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха. Степень использования мощности N должна отвечать условию N 1 . Поэтому расчет следует начинать с движения на высшей передаче и в случае необходимости переходить на следующие передачи. Величины N Д и NB находятся из выражений для соответствующих значений скорости: N Bi k F Vi 3 / 3500 , л.с. (35) k - коэффициент обтекаемости автомобиля , определяется по таблице 2; F - лобовая площадь автомобиля, которая определяется в п.2.3; Vi - скорость автомобиля в соответствии с заданием. N Дi Ga ( f sin ) Vi / 270 ,л.с. (36) где Ga - полный вес автомобиля, который определяется: f -коэффициент сопротивления качению автомобиля при остановившейся скорости, принимается в соответствии с заданием; - продольный угол наклона дороги, принимается в соответствии с заданием; Vi - значения скорости, соответствующие каждому из значений n e ,см.далее. Таблица №5 Значения коэффициентов к и к в соответствии с и и отношении частот kи А k об И карбюраторный дизельный 1,2 1,15 1,0 1,0 1,0 1,1 1,05 0,9 0,95 0,92 1 1,00 0,8 0,9 0,92 0,9 0,980 0,7 0,95 0,92 0,8 0,97 0,6 1,0 1,0 0,7 0,96 0,5 1,2 1,0 0,6 0,96 0,3 1,5 1,12 0,5 0,97 0,2 1,9 1,16 0,4 1,00 0,1 2,7 1,2 0,3 1,05 Значения скорости, соответствующие каждому из значений ne , определяются по формуле: V 0,38 rk ne , uk uгл u Д (37) где nе – промежуточные значения частоты вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; rк – расчётный радиус ведущих колёс автомобиля, м, определенный в п.2.2; u к - передаточное число передачи, принимается для каждой передачи в соответствии с расчетом п.2.7; u гл - передаточное число главной передачи, определенное в п.2.5; uД - передаточное число дополнительной передачи, при ее отсутствии принимается u Д =1. Расчетные данные заносятся в таблицу 7. Таблица №6 Данные для построения топливно-энергетической характеристики n, n /n Kс об/м e N к ин По Ne, кВт V, км/ ч полученным NВ, л.с. NД, л.с. данным PВ, кгс РД, кгс производится экономической характеристики автомобиля. И kи построение gе, г/л.с. Q -ч. топливно-
